多級(jí)結(jié)構(gòu)壓電陶瓷纖維助力新型柔韌透氣織物

可穿戴電子設(shè)備在生物醫(yī)學(xué)和智能電子等領(lǐng)域引起越來越多的關(guān)注。然而，目前的大多數(shù)研究都是改善壓電性或柔性等單一材料特性，而柔性電子設(shè)備則需要在兼顧壓電性、柔性、韌性和透氣性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)一種均衡的性能。基于此，來自香港城市大學(xué)機(jī)械工程系的楊征保課題組研發(fā)了一種柔性透氣并具有高輸出的壓電陶瓷復(fù)合織物，其內(nèi)部獨(dú)特的多級(jí)結(jié)構(gòu)能夠有效強(qiáng)化其機(jī)械性能。

該研究團(tuán)隊(duì)基于模板輔助的溶膠-凝膠法，在形成微米級(jí)陶瓷復(fù)合纖維的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步交織成亞毫米級(jí)的陶瓷纖維束，最終構(gòu)建了一個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷復(fù)合織物。理論分析表明，這種多級(jí)結(jié)構(gòu)有利于提高機(jī)械應(yīng)變和應(yīng)力梯度，從而進(jìn)一步提高壓電復(fù)合材料的電壓輸出。這種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷織物能夠產(chǎn)生128 V的開路電壓，120 μA的短路電流，以及0.75 mW/cm2的瞬時(shí)功率密度。更重要的是，這種壓電陶瓷織物展示出令人滿意的壓電性(壓電常數(shù)(d33)為190 pm/V)、透氣率(45.1為mm/s)、柔性(楊氏模量為0.35 GPa)和韌性(0.125 MJ/m3)。這種更注重均衡性能的設(shè)計(jì)策略進(jìn)一步促進(jìn)了功能材料在可穿戴設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。

這種壓電復(fù)合織物主體由鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT)骨架和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))涂層組成，兩側(cè)再貼附銅網(wǎng)作為電極。與采用的織物模板類似，相互纏繞的亞毫米級(jí)多股陶瓷纖維構(gòu)成了PZT陶瓷骨架，而組成陶瓷纖維束的微米級(jí)PZT 纖維則是二級(jí)結(jié)構(gòu)。包覆PZT陶瓷骨架的P(VDF-TrFE)薄膜不僅為壓電復(fù)合織物提供了更好的機(jī)械性能，而且本身也是壓電材料，進(jìn)一步提高了其壓電性能。

為了評(píng)估這種壓電復(fù)合織物在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和能量收集中的潛在應(yīng)用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，研究人員構(gòu)建了一種基于該種壓電復(fù)合織物的計(jì)步器，用于計(jì)算步行時(shí)的步數(shù)。在2 min內(nèi)，該計(jì)步器成功記錄了63步，同時(shí)將其顯示在手機(jī)屏幕上。此外，由這種壓電復(fù)合織物產(chǎn)生的電信號(hào)還可用于人運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量收集。在36 s的踩踏過程中，電容器中存儲(chǔ)的電壓增加到3.1 V。而存儲(chǔ)在電容器中的能量可進(jìn)一步用于為電子表供電，使其連續(xù)工作16 s。該實(shí)驗(yàn)可充分證明開發(fā)的壓電復(fù)合織物能夠用作可穿戴或便攜式電子設(shè)備的電源，展示了其在生物能量收集和自供電設(shè)備中的潛在應(yīng)用。